一种多维服务质量保障方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多维服务质量保障方法、系统及设备。

背景技术

随着信息社会的不断发展，对无线通信网络的需求越来越高。考虑传输的场景复杂化、需求多样化、资源多维化问题，对短码服务质量保障管理、控制与优化三方面提出了新的挑战。传统单一的服务质量保障指标难以满足更高水平、更严格、更多样的性能需求，使得系统性地建立有效容量统一模型愈发复杂。针对未来无线网络面临的繁杂的服务场景要求和极致性能需求之间的矛盾，对其中关键技术进行面向多维异构服务质量需求的建模、保障与分析至关重要。从多个纬度出发，服务质量保障技术是未来超可靠低时延通信服务场景的重要支撑。然而，在有限的资源条件下，传统的单一统计性时延服务质量管控理论，不再适用于以超高可靠性为优先级的未来无线通信业务。同时，单方面以延长传输时间、增加传输码长等方法提高系统可靠性，不再适用于时延敏感型无线通信业务。此外，在有限码长领域，传统的拓展、优化系统容量的技术手段不再适用于未来无线通信服务的超高效、超大容量与海量通信的需求。基于此，引发了在资源受限的前提下，面向时延/可靠性敏感型多媒体业务的时延管控与可靠性优先级需求之间的矛盾，及系统容量优化与极致性能需求之间的矛盾这些瓶颈问题。如何建立多维短码服务质量保障体系，在时延与可靠性联合约束条件下对有效容量进行统一建模，确保网络资源的动态、高效适配是亟待解决的难题。

公开号为CN106686605B的专利申请文件，公开了“一种无线传感网中能量有效的统计时延服务质量保障方法”，该方法得出传感器节点的最优能量效率以及相应的最优功率分配方案，并且最优的功率分配方案能够基于主发射机的时延服务质量要求和信道条件动态进行调整。该方法存在的不足之处是，仅考虑了单一统计性时延为基础的服务质量保障，传统的以有限、单一的统计时延服务质量级别划分不适配于新型融合网络架构，不能提供特定定制的网络处理，或保障繁杂业务场景的极致服务质量需求。因此，该系统设计缺乏对可靠性等维度的服务质量系数的考虑，导致系统设计的普适性降低，不能支持超高速、超高可靠性、超低时延等未来无线网络的极致需求。

C.Li,C.She,N.Yang，T.Q.S.Quek在其发表的论文“Secure Transmission Rateof Short Packets With Queueing Delay Requirement”(IEEE Transactions onWireless Communications，2022，21(1)：203-218)中提出了一种在平均功率约束和排队时延要求下的安全短数据包传输功率控制策略，以确保在安全短数据包传输中实现超低时延。该方法在有限码长编码领域内，设计面向统计性时延服务质量可实现的最大保密速率模型，在不同信道状态的前提下优化发射功率，以保证服务质量。该方法存在的不足之处是，仅考虑了短数据包通信中的时延服务质量，忽略了短包通信面临的可靠性问题，并且使用传统的有效容量公式，未能解决面向时延与可靠性联合服务质量保障的有效传输问题，从而不能完全满足未来无线通信的超可靠低时延需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种多维服务质量保障方法、系统及设备，通过识别和定义新的统计性多维服务质量保障指标，用于解决现有单一服务质量保障方法不能适用于多样应用场景与极致、多维性能指标的难点问题，为实现超大容量、超高可靠性、超低时延等未来无线网络的极致需求提供了可靠的理论基础和技术支撑。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多维服务质量保障方法，包括以下步骤：

步骤1，以峰值信息新鲜度作为服务质量保障参数评估和调节数据新鲜度，并对其度量建模即建立峰值信息新鲜度模型；

步骤2，根据步骤1得到的峰值信息新鲜度模型，在有限码长编码领域，基于混合自动重传请求与增量冗余技术(HARQ-IR)表征峰值信息新鲜度违反概率，得到峰值信息新鲜度服务质量保障指标；

步骤3，在有限码长编码领域，表征与时延和误码率相关的违反概率，得到新的时延和可靠性服务质量保障指标；

步骤4，根据步骤2得到的峰值信息新鲜度的服务质量保障指标和步骤3得到的时延和可靠性服务质量保障指标，建立最大可支持的到达速率模型，即“ε-有效容量”。

所述步骤1中，峰值信息新鲜度模型如下：

T

其中，T

所述步骤2的具体过程如下：

步骤2.1，根据大偏差原理，定义基于峰值信息新鲜度的服务质量保障指标θ

利用梅林变换，获得峰值信息新鲜度违反概率p

其中，A

其中，

步骤2.2，根据步骤2.1得到的峰值信息新鲜度违反概率模型，假设到达更新遵循速率为λ的泊松过程，到达时间间隔可看成是具有速率为λ的指数过程，峰值信息新鲜度违反概率p

其中，

步骤2.3，使用HARQ-IR技术，在有限码长编码领域，每个长度为n的有限码长编码词被分为L个模块，每个模块包含

其中，T表示每个信道使用的单位时间，∈

所述步骤3中表征时延的违反概率，得到时延服务质量保障指标的具体过程为：

步骤3.11，构建面向时延服务质量保障机制的衡量标准，根据大偏差原理，在充分条件下，过程Q(t)的分布收敛于一个随机变量Q(∞)，使得

其中，Q

步骤3.12，利用梅林变换，有效地分析到达过程和服务过程，进而可以得出时延服务质量保障违反概率p

其中，D

同时能够满足以下稳定性条件：

M

其中，M

所述步骤3中表征误码率的违反概率，得到可靠性服务质量保障指标，具体过程为：

步骤3.21，构建面向可靠性服务质量保障机制的衡量标准，系统地描述误码概率∈(u)随码长n增大时的衰减情况，根据大偏差原理，当编码速率低于信道容量时，基于可靠性服务质量保障指标表征了可靠性服务质量违反概率(即误码率)的指数衰减速率，其定义如下：

其中，∈(u)表明对状态更新数据包u的误码率，上述可靠性服务质量保障指标表征公式表示误码率以指数速率θ

∈(u)≤exp(-nθ

步骤3.22，通过定义可以得到对基于可靠性的服务质量保障指标，具体定义如下：

θ

其中，R

其中，γ(u)表示系统的信干噪比。

所述步骤4中在构建峰值信息新鲜度、时延与可靠性联合服务质量保障约束的前提下，最大可支持的到达速率模型，即“ε-有效容量”，EC

所述步骤3.22中通过应用Jensen不等式，渐进地表达E

一种多维服务质量保障系统，包括：

峰值信息新鲜度模块，以峰值信息新鲜度作为服务质量保障参数评估和调节数据新鲜度，并对其度量建模即建立峰值信息新鲜度模型；

峰值信息新鲜度服务质量保障指标模块，根据峰值信息新鲜度模块得到的峰值信息新鲜度模型，在有限码长编码领域，使基于混合自动重传请求与增量冗余技术(HARQ-IR)表征峰值信息新鲜度违反概率，得到峰值信息新鲜度服务质量保障指标；

时延和可靠性服务质量保障指标模块，在有限码长编码领域，表征时延和误码率的违反概率，得到时延和可靠性服务质量保障指标；

到达速率模型模块，根据峰值信息新鲜度的服务质量保障指标和时延与可靠性服务质量保障指标，建立最大可支持的到达速率模型，即“ε-有效容量”。

一种多维服务质量保障设备，包括：

存储器：用于存储所述一种多维服务质量保障方法的计算机程序；

处理器：用于执行所述计算机程序时实现一种多维服务质量保障方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现一种多维服务质量保障方法。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

第一，本发明填补了传统服务质量保障性能指标的不足，针对目前对非零误码率和信息新鲜度等服务质量保障指标研究的缺失问题，重新识别及定义了面向短码的多维服务质量保障的性能指标体系，构建多维服务质量保障方法，实现对信息新鲜度、时延与可靠性的度量建模，有效反映特殊应用场景中多样、极致的性能指标，支持完整的未来无线网络中端到端多重应用场景。

第二，本发明在有限码长编码领域，所开发的统计性多维服务质量保障机制，衡量了多个服务质量保障违反概率的指数衰落速率，渐近性制定了面向超可靠低时延通信性能指标相应的分析、度量模型，包括误码率、峰值信息新鲜度违反概率和时延违反概率指数函数，分析了多维服务质量保障性能指标之间存在相互依存性、耦合性与制约性关系，拓展了可支持的应用场景，支撑未来超可靠低时延通信的全面性能保障机制的建立。

第三，本发明定义新的统一“ε-有效容量”理论，通过峰值信息新鲜度、时延与可靠性联合控制机制，平衡短码传输中峰值信息新鲜度、排队时延与传输误码率，提出了面向多维异构服务质量保障的有效容量普适性模型，为实现资源自适应调节奠定理论基础。

综上，本发明针对有限码长传输领域，使用混合自动重传请求与增量冗余技术，建立面向信息新鲜度、时延与可靠性的多维统计服务质量保障机制；创新性地定义了面向峰值信息新鲜度、时延与可靠性的“ε-有效容量”新理论，提出了面向多维异构服务质量保障的有效容量普适性模型，为确保网络资源的动态、高效适配打下理论基础。

附图说明

图1为本发明构建的系统模型图。

图2为本发明构建的面向短码服务质量保障的联合资源调度模型图。

图3为本发明的技术路线与工作原理图。

图4为本发明仿真实验1的仿真图：峰值信息新鲜度违反概率与峰值信息新鲜度服务质量保障指标的关系。

图5为本发明仿真实验2的仿真图：峰值信息新鲜度违反概率与码长n的关系。

图6为本发明仿真实验3的仿真图：时延违反概率与时延服务质量保障指标的关系。

图7为本发明仿真实验4的仿真图：误码率与可靠性服务质量保障指标的关系。

图8为本发明仿真实验5的仿真图：“ε-有效容量”与码长n之间的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明针对有限码长传输领域，使用混合自动重传请求与增量冗余技术(HARQ-IR)，提出了多维统计服务质量保障机制。具体而言，设计了信息新鲜度为基础的度量模型；使用混合自动重传请求与增量冗余技术协议表征了峰值信息新鲜度受限的服务质量指标；在有限码长范围内开发了一组新的基础统计服务质量指标，包括基于时延的服务质量指标和有限码长传输中基于误码率的服务质量指标；评估和分析了多维统计服务质量保障方案；定义了新的统一“ε-有效容量”公式，精确定量刻画面向峰值信息新鲜度、时延与可靠性的联合统计服务质量保障的建模框架，设计了动态联合控制方案。

如图1所示，本发明的步骤如下：

步骤1，以峰值信息新鲜度作为服务质量保障参数评估和调节数据新鲜度，并对其度量建模即建立峰值信息新鲜度模型；

峰值信息新鲜度模型如下：

T

其中，T

步骤2，使用有限码长编码技术(FBC)与混合自动重传请求与增量冗余技术来表征峰值信息新鲜度违反概率；

步骤2.1，定量刻画面向信息新鲜度的统计性服务质量保障技术，根据大偏差原理，定义基于峰值信息新鲜度的服务质量保障指标θ

利用梅林变换，获得峰值信息新鲜度违反概率p

其中，A

其中，

以上峰值信息新鲜度违反概率模型在以信息新鲜度驱动的无线通信网络建模框架下，全面描述了峰值信息新鲜度违反的概率界限。该结果有助于与时延与误码率违反概率进行比较，从而建立以信息新鲜度、时延和误码率为基础的多维服务质量保障体系。

步骤2.2，基于以上模型，假设到达更新遵循速率为λ的泊松过程，到达时间间隔可看成是具有速率为λ的指数过程，因此，峰值信息年龄违反概率p

其中，

步骤2.3，使用HARQ-IR技术，在有限码长领域内，每个长度为n的有限码长编码词被分为L个模块，每个模块包含

其中，T表示每个信道使用的单位时间,∈

通过应用HARQ-IR协议，提供了渐近峰值信息新鲜度违反概率的分析。由于信道衰落的动态特性，峰值信息新鲜度违反概率的闭式表达变得复杂，因此可以采用在高信噪比条件下的渐近表示，以更为便捷的方式进行分析。这种简化有助于更清晰地理解系统行为，同时仍捕捉其基本特征。

步骤3，在有限码长领域中，表征与时延和误码率相关的违反概率,开发了一组新的统计时延和误码率有界的服务质量保障性能指标；

步骤3.11，定量刻画面向时延的统计性服务质量保障技术，构建面向时延服务质量保障机制的衡量标准，从而方便阐述多源业务时延服务质量保障的设计思路，根据大偏差原理，在充分条件下，过程Q(t)的分布收敛于一个随机变量Q(∞)，使得

其中，Q

步骤3.12，利用梅林变换，有效地分析到达过程和服务过程，进而可以推导出时延违反概率p

其中，D

同时能够满足以下稳定性条件：

M

其中M

步骤3.21，定量刻画面向可靠性的统计性服务质量保障技术，在有限码长领域中，构建面向可靠性服务质量保障机制的衡量标准，系统地描述误码概率∈(u)随码长n增大时的衰减情况，根据大偏差原理，当编码速率低于信道容量时，基于误码率的服务质量保障指标表征了可靠性服务质量违反概率(即误码率)的指数衰减速率，其定义如下：

其中，∈(u)表明对状态更新数据包u的误码率，上述公式表示误码率以指数速率θ

∈(u)≤exp(-nθ

步骤3.22，通过定义可以得到对基于误码率的服务质量保障指标，具体定义如下：

其中，R

其中，γ(u)表示系统的信干噪比。

由上述公式获得的可靠性服务质量保障指标闭式表达中最具挑战性的部分涉及解决在累积生成函数中所述的E

步骤4，为支持在以峰值信息新鲜度、时延和信息可靠性为多重统计服务质量保障下的超可靠低时延通信，创新地提出了“ε-有效容量”，设计面向峰值信息新鲜度、时延与可靠性的“ε-有效容量”联合控制方案。与传统单一面向时延的服务质量保障不同，短码服务质量保障理论体系在构建峰值信息新鲜度、时延与可靠性联合约束前提下，建立最大可支持的到达速率模型，即“ε-有效容量”EC

从以上公式可以看出，与传统系统有效容量不同，“ε-有效容量”不仅与峰值信息新鲜度、时延服务质量保障指标有关，也是有限码长及误码率(即系统可靠性)的函数，对系统能保障的多维服务质量需求从低时效低可靠性至高时效高可靠性范围内，进行联合动态控制，更准确地评估系统的承载能力，包括信道条件、业务优先级、干扰等因素的综合影响，为不同业务的资源分配提供更科学的依据。

如图2所示，为构建的面向多维服务质量保障的联合资源调度模型图，通过分析无线信道质量与多维服务质量保障指标，利用短包重传技术大幅提升系统可靠性，确保链路传输质量，高效保障高可靠低时延大容量通信。

图3说明了本发明的技术路线与工作原理，通过运用多种信息论、概率论等理论工具，建立短码多维服务质量保障体系，以支撑对“ε-有效容量”统一模型与控制机制的建立。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel Pentium CPU，主频为3.3GHz，内存8GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和Matlab2016a。发明仿真实验所使用的天线增益为20dBi，发射功率在10dBm到50dBm。

2.仿真内容及其结果分析：

图4说明了在给定峰值信息新鲜度违反阈值A

图5说明了在给定峰值信息新鲜度违反阈值A

图6说明了时延违反概率与时延服务质量保障指标θ

由图7可知，在非渐近区域中，可靠性服务质量保障指标表征公式对于误码率与可靠性服务质量保障指标θ

图8表示“ε-有效容量”与码长n之间的关系。证明了在给定时延服务质量保障指标θ

一种多维服务质量保障系统，包括：

峰值信息新鲜度模块，以峰值信息新鲜度作为服务质量保障参数评估和调节数据新鲜度，并对其度量建模即建立峰值信息新鲜度模型；

峰值信息新鲜度服务质量保障指标模块，根据峰值信息新鲜度模块得到的峰值信息新鲜度模型，在有限码长编码领域，基于混合自动重传请求与增量冗余技术(HARQ-IR)表征峰值信息新鲜度违反概率，得到峰值信息新鲜度服务质量保障指标；

时延和可靠性服务质量保障指标模块，在有限码长编码领域，表征时延和误码率的违反概率，得到时延和可靠性服务质量保障指标；

到达速率模型模块，根据峰值信息新鲜度的服务质量保障指标和时延与可靠性服务质量保障指标，建立最大可支持的到达速率模型，即“ε-有效容量”。

一种多维服务质量保障设备，包括：

存储器：用于存储所述一种多维服务质量保障方法的计算机程序；

处理器：用于执行所述计算机程序时实现一种多维服务质量保障方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现一种多维服务质量保障方法。